تحليل كارايي روش‌هاي كنترل فعال در كاهش نويز جيغ چرخ قطار

دكتري

در سالهاي اخير به منظور كاهش اثرات زيست محيطي و افزايش راحتي سفر، كاهش نويز يكي از اهداف حمل و نقل ريلي قرار گرفته است و در دستورالعمل ها و استانداردها مورد تاكيد قرار گرفته است. يكي از آزاردهنده¬ترين صداها، نويز تك فركانسي و با شدت بالا بوده كه در هنگام عبور قطار از قوس‌هاي تند شنيده مي‌شود و به آن جيغ چرخ گفته مي شود. وجود قوس¬هاي تند متعدد براي مسيرهاي ريلي در مناطق كوهستاني و شهري به دليل وجود محدوديت‌هاي جغرافيايي و شهرسازي اجتناب ناپذير است. از سوي ديگر وقوع جيغ چرخ به خصوص در محيط¬هاي شهري باعث آزار مسافرين قطارهاي شهري و ساكنين اطراف اين خطوط مي شود. به دليل پيچيدگي هاي پديده جيغ چرخ تا به امروز راه حل قطعي براي آن ارائه نشده است. در اين پايان نامه سه روش نوين بر اساس عملگر پيزوالكتريك جهت كنترل و كاهش اين نويز پيشنهاد و كارايي آن موردبررسي قرارگرفته است. ابتدا جهت بررسي روش‌هاي پيشنهادي نياز به مدل‌سازي جيغ چرخ و تأييد صحت آن هست. بدين منظور يكي از كامل‌ترين مدل¬هاي ارائه‌شده شامل ديناميك چرخ، خط و تماس غيرخطي در حوزه فركانس و زمان مورداستفاده قرارگرفته است. مدلسازي در حوزه فركانس با هدف بررسي احتمال وقوع جيغ چرخ در مدهاي مختلف و تعيين مد‌هاي ناپايدار چرخ بكار گرفته مي‌شود. در مدل‌سازي در حوزه زمان علاوه بر موارد فوق امكان محاسبه تراز فشار صوت وجود دارد. اين مدلها با توجه به مشخصات ناوگان باري ايران پياده‌سازي شده اند. در مرحله بعد اندازه‌گيري ميداني جيغ چرخ در مسيرهاي ريلي شمال ايران انجام‌شده و صحت مدل بررسي و تأييد شده است. همچنين صحت مدل ارتعاشي چرخ با انجام تست مودال تجربي بر روي يك چرخ محور تأييد گرديده است. پس از مدل‌سازي و تأييد صحت آن،‏ كارايي روش‌هاي كنترلي پيشنهادي تحليل‌شده است. روش اول پيشنهادي به‌كارگيري پيزوالكتريك متصل به مدار شانت براي افزايش ميرايي چرخ و در نتيجه آن كاهش احتمال وقوع جيغ چرخ و كنترل نويز حاصل از آن است. بدين منظور عملگرهاي پيزوالكتريك به سطح بيروني چرخ متصل گرديده و كارايي اتصال آنها به دو مدار شانت رايج، مدار مقاومتي (R) و مدار داراي تشديد (RL)، مورد بررسي قرارگرفته‌اند. مدار مقاومتي در يك حوزه فركانسي گسترده ميرايي كم و مدار داراي تشديد در حوزه فركانسي محدود ميرايي بسيار بالا ايجاد مي‌كند. همچنين با دسته‌بندي پيزوالكتريك‌ها به دودسته و اتصال هر دسته به مدار شانت مختلف امكان ايجاد ميرايي در دو مود به‌طور همزمان محقق شده است. با توجه به نتايج مدل‌سازي نويز جيغ چرخ داراي يك يا دو مد ناپايدار است و با طراحي مناسب مدار شانت داراي تشديد و ايجاد ميرايي در اين دو مد ناپايدار احتمال وقوع جيغ چرخ به مقدار قابل ملاحظه¬اي كاهش‌يافته مي¬يابد. همچنين نتايج در حوزه زمان كاهش قابل‌توجه تراز فشار صوت را نشان مي‌دهند. در روش دوم پيزوالكتريك به‌عنوان يك عملگر و حسگر در يك كنترل‌كننده با بازخورد مورداستفاده قرارگرفته است. طراحي با هدف حداقل كردن اثر اغتشاشات وارده به سيستم (نيروهاي تماس) در خروجي (ارتعاشات چرخ) انجام شده است. براي طراحي كنترل‌كننده از تئوري كنترل‌كننده ‍PID با يك خودتنظيم شونده فازي استفاده شده است. اين كنترل‌كننده يك PID رايج است با اين تفاوت كه ضرايب آن به‌وسيله يك خودتنظيم شونده فازي با تغيير شرايط تنظيم مي‌شود. با توجه به نتايج اين روش توانايي حذف كامل جيغ چرخ را دارد. روش پيشنهادي سوم به‌كارگيري روش ديترينگ در كنترل جيغ چرخ قطار است. ديترينگ يك روش كنترل فعال حلقه باز است. در اين ‌روش يكي از سازه¬هاي در تماس با دامنه پايين و فركانس بالا به‌وسيله يك عملگر به ارتعاش درمي‌آيد. در اين پروژه تأثير ايجاد ديترينگ در ريل و چرخ به‌وسيله عملگر پيزوالكتريك بررسي‌شده‌اند. هر دو روش در محدوده فركانس خاصي باعث كاهش تراز فشار صوت مي‌شوند. در هر دو روش تراز فشار صوت در فركانس زير 300 هرتز بيش از 30 دسي‌بل كاهش‌يافته است. اما در فركانس‌هاي بالا عملكرد ضعيف‌تري داشته و ديترينگ چرخ باعث افزايش تراز صوت در فركانس‌هاي بالاي 3000 هرتز شده است.

190763

دانشگاه علم و صنعت ايران

ماشين هاي ريلي

دكتر داوود يونسيان